JP4928098B2 - 強誘電体キャパシタの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、強誘電体キャパシタおよびその製造方法、ならびに強誘電体メモリ装置に関する。
強誘電体メモリ装置（ＦｅＲＡＭ）は、低電圧および高速動作が可能な不揮発性メモリであり、メモリセルが１トランジスタ／１キャパシタ（１Ｔ／１Ｃ）で構成できるため、ＤＲＡＭなみの集積化が可能であることから、大容量不揮発性メモリとして期待されている。
強誘電体メモリ装置を構成する強誘電体キャパシタの強誘電体特性を最大限に発揮させるには、強誘電体キャパシタを構成する各層の結晶配向性が極めて重要である。
特開２０００−２７７７０１号公報
本発明の目的は、強誘電体キャパシタを構成する各層の結晶配向性が良好に制御された強誘電体キャパシタおよびその製造方法、ならびに強誘電体メモリ装置を提供することである。
本発明の強誘電体キャパシタの製造方法は、（ａ）第１バリア層を形成する工程と、（ｂ）前記第１バリア層を窒化して、窒化物からなる第２バリア層を形成する工程と、（ｃ）前記第２バリア層の上方に第１電極を形成する工程と、（ｄ）前記第１電極の上に強誘電体膜を形成する工程と、（ｅ）前記強誘電体膜の上に第２電極を形成する工程と、を含む。
本発明の強誘電体キャパシタの製造方法によれば、第１バリア層を窒化して、窒化物からなる第２バリア層を形成することにより、下方の結晶構造が反映されていない第２バリア層を得ることができる。さらに、この第２バリア層の上に第１電極および強誘電体膜を形成することにより、第２バリア層の結晶構造を反映させた第１電極および強誘電体膜を形成することができ、かつ、下層の結晶構造が反映されていない前記第１電極を設けることができる。すなわち、所定の結晶配向を有する第２バリア層を形成することにより、所望の結晶配向を有する強誘電体膜を形成することができる。これにより、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタを得ることができる。
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記（ａ）において、前記第１バリア層をプラグ上に形成することができる。
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記（ｂ）において、窒素を含む雰囲気中で前記第１バリア層をアニールすることにより、該第１バリア層を窒化することができる。
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記（ｂ）において、前記アニールを３５０〜６５０℃で行なうことができる。
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記第１バリア層は、チタンおよびアルミニウムを含み、前記第２バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であることができる。前記材料は酸素バリア性を有するため、前記バリア層として好適である。この場合、前記第１バリア層は、構成元素として、チタンを７０原子％以上含むことができる。また、この場合、前記（ａ）の前に、（ｆ）アンモニアガスのプラズマを励起して、前記第１バリア層が形成される層の表面に、該プラズマを照射する工程をさらに含むことができる。
本発明の強誘電体キャパシタは、窒化物からなるバリア層の上に設けられた第１電極と、前記第１電極の上に設けられた強誘電体膜と、前記強誘電体膜の上に設けられた第２電極と、を含む。
本発明の強誘電体キャパシタによれば、所定の結晶配向を有する第２バリア層と、所望の結晶配向を有する強誘電体膜とを含む。これにより、ヒステリシス特性に優れている。
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタにおいて、前記バリア層は、チタン、アルミニウム、およびタンタルのうち少なくとも１つ以上を構成元素として含むことができる。
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタにおいて、前記バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であることができる。この場合、前記バリア層の組成は、Ｔｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙ（ここで、０＜ｘ≦３０であり、かつ、０＜ｙである）であることができる。
本発明の強誘電体メモリ装置は、スイッチングトランジスタと、前記スイッチングトランジスタと電気的に接続されたプラグと、前記プラグ上に設けられた、上記本発明の強誘電体キャパシタと、を含む。
本発明の強誘電体メモリ装置によれば、前記プラグ上に設けられた上記本発明の強誘電体キャパシタを含むことにより、前記バリア層の結晶構造を反映させた前記第１電極が設けられている。これにより、前記第１電極上に、結晶配向性に優れた強誘電体膜が設けられているため、ヒステリシス特性に優れている。
以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
１．強誘電体メモリ装置
図１は、本発明の一実施の形態の強誘電体メモリ装置１００を模式的に示す断面図である。図１に示すように、強誘電体メモリ装置１００は、強誘電体キャパシタ３０と、プラグ２０と、強誘電体キャパシタ３０のスイッチングトランジスタ１８とを含む。なお、本実施形態においては、１Ｔ／１Ｃ型のメモリセルについて説明するが、本発明が適用されるのは１Ｔ／１Ｃ型のメモリセルに限定されない。
図１は、本発明の一実施の形態の強誘電体メモリ装置１００を模式的に示す断面図である。図１に示すように、強誘電体メモリ装置１００は、強誘電体キャパシタ３０と、プラグ２０と、強誘電体キャパシタ３０のスイッチングトランジスタ１８とを含む。なお、本実施形態においては、１Ｔ／１Ｃ型のメモリセルについて説明するが、本発明が適用されるのは１Ｔ／１Ｃ型のメモリセルに限定されない。
トランジスタ１８は、ゲート絶縁層１１と、ゲート絶縁層１１上に設けられたゲート導電層１３と、ソース／ドレイン領域である第１および第２不純物領域１７，１９とを含む。また、プラグ２０はスイッチングトランジスタ１８と電気的に接続されている。
強誘電体キャパシタ３０は、窒化物からなるバリア層１２の上方に設けられた第１電極３２と、第１電極３２の上に設けられた強誘電体膜３４と、強誘電体膜３４の上に設けられた第２電極３６とを含む。
また、この強誘電体キャパシタ３０は、絶縁層２６に設けられたプラグ２０の上に設けられている。このプラグ２０は、第２不純物領域１９の上に形成されている。プラグ２０は、開口部２４と、開口部２４内に設けられた導電層２２とを含む。導電層２２は例えば、タングステン，モリブデン，タンタル，チタン，ニッケルなどの高融点金属からなり、タングステンからなることが好ましい。
バリア層１２は、少なくとも一部がプラグ２０上に設けられている。バリア層１２は、酸素バリア性を有する窒化物からなる。このバリア層２０は、チタン、アルミニウム、およびタンタルのうち少なくとも１つ以上を構成元素として含むことが好ましい。バリア層１２の構成材料としては、例えば、ＴｉＡｌＮ，ＴｉＮ，ＴａＮを挙げることができ、なかでも、チタンおよびアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）であることがより好ましい。バリア層１２がＴｉＡｌＮからなる場合、バリア層１２におけるチタン，アルミニウム，窒素の組成（原子比）は、Ｔｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙ（ここで、０＜ｘ≦３０であり、かつ、０＜ｙである）であるのがさらに好ましい。この場合、自己配向性が高く、かつ、耐酸化性に優れたバリア層１２とすることができる。また、バリア層１２がＴｉＡｌＮからなる場合、バリア層１２の結晶配向性は（１１１）配向であることが好ましい。
また、下層の結晶構造の影響を受けないためには、バリア層１２の膜厚は少なくとも２０ｎｍであることが好ましく、例えば、１００〜２００ｎｍであることがより好ましい。
第１電極３２は白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、およびイリジウムから選ばれる少なくとも１種の金属からなることができ、好ましくは白金またはイリジウムからなり、より好ましくはイリジウムからなる。また、第１電極３２は、単層膜でもよいし、または積層した多層膜でもよい。第１電極３２ａの少なくとも一部が結晶からなる場合、その結晶における結晶配向が、バリア層１２の結晶配向と等しいことが好ましい。この場合、強誘電体膜３４の結晶配向が、第１電極３２ａの結晶における結晶配向と等しいことが好ましい。例えば、バリア層１２がＴｉＡｌＮからなり、バリア層１２の結晶配向が（１１１）配向である場合、第１電極３２の少なくとも一部が結晶性であり、その結晶配向が（１１１）配向であることが好ましい。この構成によれば、第１電極３２上に強誘電体膜３４を形成する際に、強誘電体膜３４の結晶配向を（１１１）配向にすることが容易になる。
強誘電体膜３４は、強誘電体物質を含む。この強誘電体物質は、ペロブスカイト型の結晶構造を有し、Ａ１−ｂＢ１−ａＸａＯ３の一般式で示されることができる。Ａは、Ｐｂを含む。Ｂは、ＺｒおよびＴｉのうちの少なくとも１つからなる。Ｘは、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＷのうちの少なくとも１つからなる。強誘電体膜１０２に含まれる強誘電体物質としては、強誘電体膜として使用可能な公知の材料を使用することができ、例えば、（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）（ＰＺＴ）、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９（ＳＢＴ）、（Ｂｉ，Ｌａ）４Ｔｉ３Ｏ１２（ＢＬＴ）が挙げられる。
中でも、強誘電体膜３４の材料としてはＰＺＴが好ましく、この場合、素子の信頼性の観点から、第１電極３２はイリジウムであるのがより好ましい。
また、強誘電体膜３４としてＰＺＴを用いる場合、より大きな自発分極量を獲得するため、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多いことがより好ましい。このような組成のＰＺＴは正方晶に属し、その自発分極軸はｃ軸となるが、ｃ軸と直交するａ軸配向成分が同時に存在するため、ｃ軸配向させたときは、ａ軸配向成分が分極反転に寄与しないため、強誘電特性が損なわれるおそれがある。この場合、強誘電体膜３４に用いられるＰＺＴの結晶配向を（１１１）配向にすることにより、ａ軸配向成分を分極反転に寄与させることができる。よって、強誘電体膜３４がＰＺＴからなり、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、ＰＺＴの結晶配向が（１１１）配向であるのが好ましい。
第２電極３６は、第１電極３２に使用可能な材料として例示した上記材料からなることができ、あるいは、アルミニウム，銀，ニッケルなどからなることができる。また、第２電極３６は、単層膜でもよいし、または積層した多層膜でもよい。好ましくは、第２電極３６は、白金、あるいはイリジウムオキサイドとイリジウムとの積層膜からなる。
本発明の強誘電体キャパシタ３０によれば、所定の結晶配向を有し、バリア層１２と、所望の結晶配向を有する強誘電体膜３４とを含む。これにより、ヒステリシス特性に優れている。すなわち、本発明の強誘電体キャパシタ３０によれば、第１電極３２がバリア層１２上に設けられることにより、第１電極３２の結晶配向性を高めることができる。その結果、第１電極３２上に、結晶配向性に優れた強誘電体膜３４を設けることができるため、ヒステリシス特性に優れている。
特に、上述したように、強誘電体膜３４がＰＺＴからなり、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、ＰＺＴの結晶配向が（１１１）配向であるのが好ましい。本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０によれば、結晶配向が（１１１）配向であるバリア層１２がプラグ２０上に設けられていることにより、第１電極３２および強誘電体膜３４の結晶配向を（１１１）配向にすることが容易である。以上の理由により、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０はヒステリシス特性に優れている。
また、本発明の強誘電体キャパシタ３０によれば、バリア層１２が、タングステンからなる導電層２２の結晶構造を反映せずに存在し（例えば、バリア層１２がＴｉＡｌＮからなる場合、（１１１）配向した状態で存在する）、第１電極３２が、このバリア層１２を介してプラグ２０上に設けられていることにより、下層（プラグ２０）の結晶構造が反映されていない第１電極３２を設けることができる。すなわち、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０は、プラグ２０上に設けられているが、第１電極３２には、下層（プラグ２０）の結晶構造が反映されていない。
ここで、強誘電体キャパシタ３０の第１電極３２がプラグ２０の導電層２２上に直接配置されている場合を仮に想定する。この場合、導電層２２が、結晶性が高い材料からなる場合、導電層２０の結晶配向が第１電極３２の結晶配向に影響を及ぼすことがある。例えば、プラグ２０の導電層２２がタングステンからなる場合、タングステンは結晶性が高いため、このタングステンからなる導電層２２上に第１電極３２が直接設けられると、導電層２２の結晶構造が第１電極３２の結晶構造に影響を及ぼし、第１電極３２を所望の結晶構造にすることが困難となる。さらに、第１電極３２上には強誘電体膜３４が設けられているため、第１電極３２の結晶配向が、強誘電体膜３４の結晶配向に影響を及ぼすことがある。この場合、第１電極３２の結晶配向を反映した強誘電体膜３４の結晶配向により、望まない方向に分極が生じる結果、強誘電体キャパシタ３０のヒステリシス特性が低下することがある。
これに対して、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０によれば、窒化物からなるバリア層１２がプラグ２０の導電層２２上に設けられていることにより、プラグ２０の導電層２２の結晶配向が、第１電極３２および強誘電体膜３４の結晶配向を反映するのを防止することができる。これにより、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタ３０を得ることができる。
なお、プラグ２０の断面積が同じである場合、強誘電体キャパシタ３０の平面面積が小さくなるほど、プラグ２０の断面積に対する強誘電体キャパシタ３０の平面面積の割合が小さくなるため、プラグ２０の導電層２２の結晶配向に起因して、第１電極３２から強誘電体膜３４に及ぼされる結晶配向の問題は深刻化する。したがって、本実施の強誘電体キャパシタ３０によれば、上述した理由により、より微細化された場合においても、ヒステリシス特性の低下を防止することができる点で有用である。
２．強誘電体メモリ装置の製造方法
次に、図１に示す強誘電体メモリ装置１００の製造方法について、図面を参照して説明する。図２（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、図１に示される強誘電体メモリ装置１００に含まれる強誘電体キャパシタ３０の一製造工程を模式的に示す断面図である。なお、図２（ａ）〜（ｆ）においては、図１の強誘電体メモリ装置１００のうち、絶縁層２６およびプラグ２０近傍のみを示している。
次に、図１に示す強誘電体メモリ装置１００の製造方法について、図面を参照して説明する。図２（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、図１に示される強誘電体メモリ装置１００に含まれる強誘電体キャパシタ３０の一製造工程を模式的に示す断面図である。なお、図２（ａ）〜（ｆ）においては、図１の強誘電体メモリ装置１００のうち、絶縁層２６およびプラグ２０近傍のみを示している。
まず、トランジスタ１８およびプラグ２０を形成する（図１参照）。より具体的には、半導体基板１０にトランジスタ１８を形成し、次いでトランジスタ１８上に絶縁層２６を積層する。次いで、絶縁層２６に開口部２４を形成し、この開口部２４に導電層２２を埋め込むことにより、プラグ２０を形成する。導電層２２の埋め込みは例えば、ＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて行なうことができる。
次に、強誘電体キャパシタ３０を形成する。本実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ３０の製造方法は、（ａ）第１バリア層１４ａを形成する工程と、（ｂ）第１バリア層１４ａを窒化して、窒化物からなる第２バリア層１２ａを形成する工程と、（ｃ）第２バリア層１２ａの上方に第１電極３２ａを形成する工程と、（ｄ）第１電極３２ａの上に強誘電体膜３４ａを形成する工程と、（ｅ）強誘電体膜３４ａの上に第２電極３６ａを形成する工程と、を含む。
まず、図２（ａ）に示すように、必要に応じて、アンモニアガスのプラズマを励起して、第１バリア層１４ａを形成する前に、第１バリア層１４ａが形成される層の表面１４ｓに、該プラズマを照射する。このアンモニアプラズマ処理により、表面１４ｓが−ＮＨで終端され、後述する工程で第１バリア層１４ａを成膜する際に、第１バリア層１４ａを構成する原子が表面１４ｓ上でマイグレーションし易くなる。その結果、第１バリア層１４ａの構成原子がその自己配向性に起因して、規則的な配列（ここでは最密充填）になるように促進され、結晶配向性に優れた第１バリア層１４ａを成膜することができると推測される。
次に、図２（ｂ）に示すように、絶縁層２６およびプラグ２０上に、第１バリア層１４ａを成膜する。第１バリア層１４ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。また、第１バリア層１４ａを成膜する際の基板温度は、その材質に応じて適宜選択が可能である。
例えば、チタンおよびアルミニウムの窒化物からなる第１バリア層１４ａを形成する場合、不活性雰囲気（例えば、アルゴン）中で、スパッタリング法により第１バリア層１４ａを形成することができる。この場合、第１バリア層１４ａを成膜する際の基板温度は、（１１１）配向を有する点で、室温から４００℃の間であることが好ましく、１００〜４００℃の間がより好ましく、１００〜３００℃の間がさらに好ましい。また、第１バリア層１４ａは、チタンおよびアルミニウムを含む場合、第１バリア層１４ａは、構成元素として、チタンを７０原子％以上含むことが好ましく、例えば、チタンを７０〜９０原子％、アルミニウムを３０〜１０原子％含むことがより好ましい。ここで、第１バリア層１４ａがチタンを７０原子％以上含むことにより、後述する窒化工程において、（１１１）配向を有する第２バリア層１２ａを得ることができる。ここで、（１１１）配向性を有する第２バリア層１２ａが得られる理由としては、第１バリア層１４ａがチタンを７０原子％以上含む場合、第１バリア層１４ａを構成するＴｉＡｌがその自己配向性が強く発現する結果、（００１）配向を有する。このため、後述する窒化工程において、第１バリア層１４ａのＴｉＡｌが（００１）配向を有する状態で、その隙間に窒素原子が入り込むことにより、（１１１）配向を有する第２バリア層１２ａを得ることができると推測される。
上述したように、表面１４ｓにアンモニアプラズマ処理を施した後、第１バリア層１４ａを成膜することにより、結晶配向性に優れた第１バリア層１４ａを成膜することができる。
次いで、図２（ｃ）に示すように、第１バリア層１４ａを窒化して、窒化物からなる第２バリア層１２ａを形成する。第２バリア層１２ａの窒化方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、窒素を含む雰囲気中で第１バリア層１４ａをアニールすることにより、第１バリア層１４ａを窒化する方法が挙げられる。ここで、アニールは第１バリア層１４ａの融点未満で行なうことが好ましい。この温度範囲でアニールを行なうことにより、第１バリア層１４ａの結晶配向を保持した状態で、第１バリア層１４ａを構成する結晶格子の隙間に窒素原子を導入することができる。これにより、第２バリア層１２ａを得ることができる。より具体的には、アニールは、３５０〜６５０℃で行なうのがより好ましく、５００〜６５０℃で行なうのがさらに好ましい。
例えば、第１バリア層１４ａがチタンおよびアルミニウムを含む場合（例えばＴｉＡｌ）、第２バリア層１２ａは、チタンおよびアルミニウムの窒化物（例えばＴｉＡｌＮ）であることができる。第１バリア層１４ａがＴｉＡｌからなる場合、このＴｉＡｌは六方晶に属し、（００１）配向である。また、この第１バリア層１２ａを窒化して得られた第２バリア層１２ａはＴｉＡｌＮ（面心立方晶）からなり、このＴｉＡｌＮは、原料であるＴｉＡｌ（第１バリア層１４ａ）の配向性に影響されて、（１１１）配向となる。
上述したように、強誘電体膜３４がＰＺＴからなり、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、ＰＺＴの結晶配向は（１１１）配向であるのが好ましい。よって、第２バリア層１２ａの結晶配向を（１１１）配向にすることにより、第１電極３２ａおよび強誘電体膜３４ａともに（１１１）配向にすることができるため、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタ３０を得ることができる。
次いで、図２（ｄ）に示すように、第２バリア層１２ａ上に第１電極３２ａを形成する。ここで、第１電極３２ａを結晶性の第２バリア層１２ａ上に形成することにより、第１電極３２ａの結晶性が著しく向上し、かつ、第２バリア層１２ａの結晶配向性を第１電極３２ａに反映させることができる。例えば、第２バリア層１２ａの結晶配向が（１１１）配向である場合、第１電極３２ａの少なくとも一部が、（１１１）配向を有する結晶からなるように形成することができる。
第１電極３２ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。
次いで、図２（ｅ）に示すように、第１電極３２ａ上に強誘電体膜３４ａを形成する。ここで、強誘電体膜３４ａを第１電極３２ａ上に形成することにより、第１電極３２ａの結晶配向性を強誘電体膜３４ａに反映させることができる。例えば、第１電極３２ａの少なくとも一部が（１１１）配向を有する結晶からなる場合、第２バリア層１２ａを（１１１）配向に形成することができる。
強誘電体膜３４ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スピンオン法，スパッタリング法，ＭＯＣＶＤ法が挙げられる。
次いで、図２（ｆ）に示すように、強誘電体膜３４ａ上に第２電極３６ａを形成する。第２電極３６ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。その後、所定のパターンのレジスト層Ｒ１を第２電極３６ａ上に形成し、このレジスト層Ｒ１をマスクとして、フォトリソグラフィ法によりパターニングを行なう。これにより、（第２）バリア層１２上に設けられた第１電極３２と、第１電極３２上に設けられた強誘電体膜３４と、強誘電体膜３４上に設けられた第２電極３６とを有する、スタック型の強誘電体キャパシタ３０が得られる（図１参照）。
以上説明したように、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０の製造方法によれば、第１バリア層１４ａを窒化して、窒化物からなる第２バリア層１２ａを形成することにより、第２バリア層１２ａの結晶構造を反映させた第１電極３２ａおよび強誘電体膜３４ａを形成することができる。すなわち、所定の結晶配向を有する第２バリア層１２ａを形成することにより、所望の結晶配向を有する強誘電体膜３４ａを形成することができる。これにより、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタ３０を得ることができる。
また、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０の製造方法によれば、窒化物からなる第２バリア層１２ａの上方に第１電極３２ａを形成することにより、下層の結晶構造が反映されていない第１電極３２ａを簡便な方法にて形成することができる。
３．実施例
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
３．１．実施例１，２
本実施例においては、図１，図２（ａ）および図２（ｂ）に示す工程にしたがって、トランジスタ１８、絶縁層２６、およびプラグ２０を形成したうえで、プラグ２０上に第２バリア層１２ａを成膜した。
本実施例においては、図１，図２（ａ）および図２（ｂ）に示す工程にしたがって、トランジスタ１８、絶縁層２６、およびプラグ２０を形成したうえで、プラグ２０上に第２バリア層１２ａを成膜した。
まず、半導体基板（シリコン基板）１０にトランジスタ１８を形成し、次いでトランジスタ１８上に絶縁層２６を積層した。次いで、絶縁層２６に開口部２４を形成し、この開口部２４にＣＶＤ法によりタングステンを充填した後、化学的機械的研磨によって、絶縁層２６の表面より上方のタングステンを研磨することにより、導電層２２を形成した。以上の工程により、プラグ２０を形成した（図１参照）。
次に、絶縁層２６およびプラグ２０上に、スパッタリング法により、チタンおよびアルミニウムを含む第１バリア層１４ａ（ＴｉＡｌ）を成膜した。この成膜工程においては、アルゴンガス１００％を雰囲気として用い、ターゲットとしてＴｉＡｌを選択した。なお、ターゲットにおけるチタンとアルミニウムの比率が、Ｔｉ／Ａｌ＝７０：３０（原子比）の場合を実施例１とし、Ｔｉ／Ａｌ＝６０：４０（原子比）の場合を実施例２とした。
また、第１バリア層１４ａの成膜条件は、アルゴンガスの流量が５０［ｓｃｃｍ］であり，成膜パワーが１．０［ｋＷ］であり，かつ、基板温度を１００［℃］，２００［℃］，３００［℃］，４００［℃］の４通りの温度にて第１バリア層１４ａの成膜を行なった。
各温度で成膜されたバリア層ＡのＸＲＤ（Ｘ線回折）パターンを、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す。図３（ａ）は実施例１の結果であり、図３（ｂ）は実施例２の結果である。
図３（ａ）および図３（ｂ）によれば、実施例１，２のいずれにおいて得られた第１バリア層１４ａにおいて、２θ＝３７°付近に新たなピークが観測された。このピークは、（１１１）配向を有する結晶のＴｉＡｌであると推測される。また、実施例２で得られた第１バリア層１４ａよりも、実施例１で得られた第１バリア層１４ａのほうが、結晶配向性に優れていることが確認された。特に、実施例１で得られた第１バリア層１４ａにおいては、基板温度が２００℃にて成膜された場合、結晶配向性が高いことが確認された。
以上の結果から、ターゲットのチタン含有量が多いほど、結晶配向性に優れていること、ならびに、ターゲットにおけるチタンおよびアルミニウムの組成がＴｉ／Ａｌ＝７０：３０（原子比）の場合、基板温度が２００℃において、（１１１）配向性に優れた第１バリア層１４ａを得られることが明らかになった。
３．２．実施例３
本実施例においては、図２（ｃ）に示す工程にしたがって、実施例１で得られた第１バリア層１４ａに対して、窒素雰囲気下でアニールすることにより、ＴｉＡｌＮからなる第２バリア層１２ａを成膜した。ここで、窒素雰囲気下でのアニールは、窒素雰囲気下、６５０℃にて２分間ランプアニールすることにより行なった。
本実施例においては、図２（ｃ）に示す工程にしたがって、実施例１で得られた第１バリア層１４ａに対して、窒素雰囲気下でアニールすることにより、ＴｉＡｌＮからなる第２バリア層１２ａを成膜した。ここで、窒素雰囲気下でのアニールは、窒素雰囲気下、６５０℃にて２分間ランプアニールすることにより行なった。
また、比較例１として、反応性スパッタリング法により、ＴｉＡｌＮからなるバリア層を成膜した。ここで、反応性スパッタリングは、アルゴンガスの流量を５０［ｓｃｃｍ］とし，成膜パワーを１．０［ｋＷ］とし、かつ、基板温度を４００［℃］として行なった。
本実施例および比較例１で得られた第２バリア層１２ａのＸＲＤ（Ｘ線回折）パターンをそれぞれ、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）において、２θ＝３３°付近に観測されるピークは基板１０のＳｉである。
図４（ａ）によれば、本実施例にて得られた第２バリア層１２ａでは、２θ＝３７°付近にピークが観測された。このピークは、（１１１）配向を有する結晶のＴｉＡｌであると推測される。一方、図４（ｂ）によれば、比較例１にて得られたバリア層では、２θ＝３７°付近にピークが観測されたものの、本実施例にて得られた第２バリア層と比較して、前記ピークの高さが著しく小さかった。
以上の結果より、本実施例によれば、第１バリア層１４ａを窒化することにより、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮからなる第２バリア層１２ａが得られたことが確認された。
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
例えば、本実施の形態の強誘電体キャパシタおよびその製造方法は例えば、圧電素子等に含まれるキャパシタに応用することができる。
１０ 半導体基板、 １１ ゲート絶縁層、 １２，１２ａ （第２）バリア層、 １３ ゲート導電層、 １４，１４ａ 第１バリア層、 １４ｓ 第１バリア層の表面、 １５ サイドウォール絶縁層、 １６ 素子分離領域、 １７ 第１不純物領域、 １８ トランジスタ、 １９ 第２不純物領域、 ２０ プラグ、 ２２ 導電層、 ２４ 開口部、 ２６ 絶縁層、 ３０ 強誘電体キャパシタ、 ３２，３２ａ 第１電極、 ３４，３４ａ 強誘電体膜、 ３６，３６ａ 第２電極、 １００ 強誘電体メモリ装置、 Ｒ１ レジスト層
Claims (2)
- （ａ）チタンおよびアルミニウムからなる第１バリア層を、スパッタリング法により形成する工程と、
（ｂ）窒素を含む雰囲気中で前記第１バリア層の融点未満にて前記第１バリア層をアニールすることにより、前記第１バリア層を窒化して、チタンおよびアルミニウムの窒化物からなる第２バリア層を形成する工程と、
（ｃ）前記第２バリア層の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｄ）前記第１電極の上に強誘電体膜を形成する工程と、
（ｅ）前記強誘電体膜の上に第２電極を形成する工程と、
を含み、
前記第１バリア層におけるチタンとアルミニウムの割合がそれぞれ、チタン７０〜９０原子％、アルミニウム３０〜１０原子％であり、
前記（ａ）において、前記第１バリア層を成膜する際の基板温度は、１００〜３００℃であり、
前記（ｂ）において、前記アニールを３５０〜６５０℃で行ない、
前記（ａ）において、前記第１バリア層をプラグ上に形成する、強誘電体キャパシタの製造方法。 - 請求項１において、
前記（ａ）の前に、（ｆ）アンモニアガスのプラズマを励起して、前記第１バリア層が形成される層の表面に、該プラズマを照射する工程をさらに含む、強誘電体キャパシタの製造方法。
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